推遲發射，值得

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（以下簡稱韋伯望遠鏡）終于到了實際發射之際——它于美國東部時間2021年12月25日升空，是迄今為止成功進入空間軌道、來自地球的最大和最復雜的望遠鏡。

發射韋伯望遠鏡的最初謀劃早在1989年就已開始，但在這之后計劃一變再變，發射時間也一再推遲。雖然該望遠鏡的核心設計在此期間改變不大，但望遠鏡的預定探索范圍越來越寬。在等待韋伯望遠鏡準備就緒的多年間，浮現出一些科學大謎題。在該望遠鏡計劃最初被提出時，科學家還不知道暗能量和太陽系外的行星（即系外行星）。對于20多年來的等待，科學家認為是值得的。

大膽設計

韋伯望遠鏡的設計與眾不同。許多空間望遠鏡都只有單一的鏡面，而且鏡面被裝在管道中以阻止陽光淹沒深空微光。而韋伯望遠鏡6.5米寬的鏡面及其科學儀器，都將暴露在宇宙真空中。網球場大小的一面多層遮陽罩，將為韋伯望遠鏡阻擋來自地球、月球和太陽的光線。

因為規模太大，所以韋伯望遠鏡被折疊放進運載火箭，進入太空后才展開鏡面和遮陽罩。有人稱韋伯望遠鏡是“折紙衛星”，這正是該望遠鏡與其他空間望遠鏡的最大不同。

一旦展開，韋伯望遠鏡的遮陽罩長度與網球場長度相當，由此能保護該望遠鏡的主鏡面和次級鏡面免遭太陽、地球和月球的光和熱干擾。韋伯望遠鏡面向太陽的電池板，能把光轉換成電來驅動望遠鏡的科學儀器。韋伯望遠鏡的天線將讓該望遠鏡與地面科學家保持聯絡，把來自該望遠鏡的數據傳回地球。穩定襟翼則將阻止韋伯望遠鏡偏離軌道。

這一基本設計20多年來沒有改變。韋伯望遠鏡的最初提議是在1989年9月，提出者是哈勃空間望遠鏡（以下簡稱哈勃望遠鏡）的運營者——美國空間望遠鏡研究院（以下簡稱空研院）。當時，哈勃望遠鏡發射還不到一年時間，其預定任務期僅為15年。升空31年后，雖然出現了多次電腦故障和回轉儀失靈，但哈勃望遠鏡迄今仍然很結實。

不過，當時人們沒有料到哈勃望遠鏡能服役如此之久。因此，當時的空研院主任里卡多擔憂繼哈勃望遠鏡之后下一部空間望遠鏡的發射是在15年后，也就是擔憂哈勃望遠鏡缺乏繼承者，于是他和另一些人提議美國宇航局考慮哈勃望遠鏡的繼承者問題，尤其是新的空間望遠鏡應該具備10米寬且對紅外波長的光敏感的主鏡面，由此擴大哈勃望遠鏡的探索范圍——紫外光、可見光和近紅外光。

紅外光的波長比可見光長，但紅外光最能讓望遠鏡回溯時光。因為光速不變，所以觀測宇宙中的遙遠天體意味著看到的是它們過去的樣子。宇宙正在膨脹，因此光線在到達望遠鏡之前已被拉伸。對于宇宙中最遙遠的天體（第一批形成的星系，或第一批在這些星系中燃燒的恒星）來說，它們當初以短波長發射的光線已經一路被拉伸到紅外波長。

韋伯望遠鏡主鏡面

遮陽罩測試場景

里卡多及其合作者夢想的，正是一部能探測來自首批星系的被拉伸光的望遠鏡。當哈勃望遠鏡開始傳回自己對宇宙初期的探測結果后，這一夢想變成了科學計劃。哈勃望遠鏡所見到的遙遠星系與科學家之前預計的星系模樣不同，因此科學家對實際探測這些星系的興趣更濃了。

1995年，空研院和美國宇航局發布了對哈勃望遠鏡繼承者的一份報告。在這份由天文學家德雷斯勒主導的報告中，提出由一部鏡面直徑為4米的空間望遠鏡接替哈勃望遠鏡。事實上，望遠鏡的鏡面越大，能收集的光線越多，也就能看得越遠。4米的鏡面直徑比哈勃望遠鏡2.4米的鏡面直徑大不了多少，但望遠鏡鏡面哪怕只大一點，發射難度也會大大提高。

1995年末，德雷斯勒與當時的美國宇航局局長戈爾丁會面。1996年1月，在美國天文學會的年會上，戈爾丁呼吁科學家們更大膽。他朝著到會的德雷斯勒喊道：“你們要求的（哈勃望遠鏡繼承者的）鏡面直徑怎么這么短？為什么不要求6米甚至7米？”雖然這一更長的直徑依然達不到里卡多希望的10米，但戈爾丁的這番話贏得全場起立喝彩。

6.5米的鏡面直徑已經是所有空間望遠鏡直徑之最，現有運載工具從未裝載過這么大的望遠鏡，而且也裝不下。因此，科學家必須要讓該鏡面折疊，在進入太空后才展開。該望遠鏡必須通過向太空散熱來被動地給自己降溫，還需要一面很大的遮陽罩。就這樣，“折紙衛星”計劃誕生了。2002年，這部空間望遠鏡被命名為詹姆斯·韋伯。這其實是1961—1968年期間美國宇航局局長的名字。

戈爾丁在美國宇航局內部有句名言：“更快、更好、更便宜?！表f伯望遠鏡肯定更大，但它預算驚人，且發射一拖再拖。到2010年末，該計劃的預算額已經比最初的51億美元超支14億。還要再過5年，該計劃才準備就緒。到了今天，該計劃的成本據估計已接近100億美元。

韋伯望遠鏡計劃曾差點被美國政府否決。該望遠鏡的發射時間曾被定為2018年10月，但在2017年，發射時間被推遲到2019年6月。2018年，發射時間被兩度推遲，先是推到2020年5月，然后推到2021年3月。被一再推遲的部分原因是裝配和測試望遠鏡的時間長度超過美國宇航局預期，其他原因包括工作失誤（例如清洗劑選擇不當，導致推進系統的閥門受損）和疫情等。雖然一推再推，但反而成為一件幸事。為什么呢？

韋伯望遠鏡將對大多比可見光波長和哈勃望遠鏡可觀測波長更長的波長實施觀測，但不如斯皮策空間望遠鏡的觀測波長長。紅外視野讓望遠鏡能觀測到很遠的距離，能透過塵埃云去觀測

年齡爭端

在當初提議建造哈勃望遠鏡繼承者的報告中，德雷斯勒提出的新望遠鏡的第一個科學目標是：詳盡研究像銀河系這樣的正常星系的起源和演化。而這個目標迄今仍是一個夢想。

韋伯望遠鏡將觀測宇宙大爆炸之后僅4億年時的星系和恒星模樣。科學家曾經提出，在這個時期，首批微型星系誕生，點亮了宇宙，從而讓今天的我們可看見當時這些古老恒星發出的光。

韋伯望遠鏡將從太空中一個穩定點——距離地球150 萬千米的L2 開始環繞太陽。該望遠鏡將在升空后花1 個月時間來到達L2 并展開遮陽罩和鏡面。遮陽罩將始終面朝地球和太陽，不讓后兩者的光和熱影響望遠鏡的科學儀器。一旦到達L2，韋伯望遠鏡將花另外6 個月來啟動和測試自己搭載的科學儀器，之后將開始收集數據

但到了20世紀90年代，科學家遇到了一個大問題：測量得到的宇宙的年齡比科學家們所看見的一些星系所表現出來的年齡要小。也就是說測得宇宙年齡為4億多歲，而當時的標準宇宙學觀點是：宇宙的年齡應該為80億到90億歲。更有甚者，銀河系中一些恒星的年齡看來就已有140億歲。那不成了你比你奶奶的年齡還大？這怎么可能？

1998年，兩個科學團隊證明宇宙正以越來越快的速度膨脹。一種被稱為暗能量的神秘物質（根據愛因斯坦質能方程，能量就是物質）可能一直在推動宇宙加速膨脹。這種加速膨脹意味著宇宙年齡比科學家之前認為的更大。目前對宇宙年齡的估計值是138億年。如果這個估計值正確，那么前述的悖論就不復存在。發現暗能量，同時也擴展了韋伯望遠鏡的探索范圍。

用干冰測試鏡面

暗能量

這里需要先講講宇宙學測量結果不匹配的根源。至少從2014年以來，宇宙膨脹率（即哈勃常數）的不同測量方法一直在給出不同的結果。有人說，這是今天宇宙學中最大的問題，而問題的根本是：這種不匹配究竟是不是真的？如果是真的，就對宇宙歷史和暗能量的本質將有深入的揭示。然而，這種不匹配也可能是假的，是由于測量的差錯所致。

韋伯望遠鏡可能將有助于解決這類爭議。確定哈勃常數的一種常見方法，是測量遙遠星系的距離和速度。測量宇宙距離的難度很大，但科學家可以用已知亮度的天體（即所謂的“標準蠟燭”）來估計宇宙尺度的距離。如果天體的實際亮度已知，就可以根據從地球上看去的該天體的亮度來計算該天體與我們的距離。

把超新星和被稱為造父變星的亮度可變恒星作為標準蠟燭，有科學家算出的哈勃常數值為74，即相距300萬光年的兩個天體，彼此在以每秒74千米的速度遠離。而把紅巨星作為標準蠟燭，又有科學家算出這一數值是69.8。還有科學家利用大爆炸后僅38萬年時發出的微弱光（即宇宙微波背景輻射）作為標準蠟燭，算出的這個數值更小——67.4。雖然這些數值看起來彼此接近，但它們之間的偏離度完全有可能改變我們對宇宙演化歷程的認識。因此，這一偏差被稱為宇宙學中的一大危機。

在升空后第一年，韋伯望遠鏡將運用三種天體（造父變星、紅巨星和碳星，碳星是一類晚期恒星，其大氣層內的碳比氧多）作為標準蠟燭，觀測上述超新星研究中采用的星系。該望遠鏡還將采用一個遙遠的引力透鏡星系來測量哈勃常數。把這些測量結果與哈勃望遠鏡的類似測量結果對照，將證明是之前的測量結果有誤，還是測量差異真實存在。

系外行星

對韋伯望遠鏡探測范圍來說，最大的改變可能要算系外行星（太陽系之外的行星）探測。當韋伯望遠鏡計劃最初被提出時，系外行星還鮮為人知。而現在，系外行星是宇宙學中最大的話題之一。

哈勃望遠鏡主鏡面與韋伯望遠鏡主鏡面比較

德雷斯勒報告中對哈勃望遠鏡繼承者的第二個要求是：能探測環繞其他恒星的類地球行星，以及在這些行星上搜集生命可能存在的證據。而回到1995年，當時所知的系外行星數量極其有限，而且這些行星都是溫度極高、和地球完全不同的氣態巨行星。

自那以后，科學家已經發現了數千顆遙遠的系外行星?？茖W家估計，天空中我們所見的每一顆恒星都有至少一顆行星環繞，其中一些是個頭不大的巖石行星，它們的表面溫度支持液態水的存在，甚至支持生命的存在。

許多系外行星都是在它們經過其母恒星前方從而阻擋了母恒星的一點點星光時被發現的?？茖W家立即意識到，如果這些行星擁有大氣層，一臺靈敏的望遠鏡就可通過檢測經過大氣層過濾的恒星光來“嗅”出行星的大氣特征。

哈勃望遠鏡以及在2003年發射的斯皮策望遠鏡，都已開始這方面探測。但斯皮策望遠鏡在2009年用完了冷卻劑，因而已經無法測量系外行星大氣層中的重要分子。而對于探測可能表明外星生命特征的一些波長的光來說，哈勃望遠鏡的靈敏度是不夠的。

而這正是韋伯望遠鏡能大展身手的地方。如果說哈勃望遠鏡能看透門縫，韋伯望遠鏡則能打開大門。更重要的是，對于系外行星大氣層中可能表明生命跡象的多種含碳分子來說，哈勃望遠鏡不靈敏，而韋伯望遠鏡很靈敏。事實上，哈勃望遠鏡不能分辨碳、一氧化碳、二氧化碳和甲烷，而韋伯望遠鏡能。

要是韋伯望遠鏡在2007年就發射，就可能錯過系外行星探測。就算第一批凌日（行星從恒星前方經過）系外行星是在1999年被發現的，但此后十年中發現的系外行星數量也很少。既然系外行星數量很少，也就輪不上韋伯望遠鏡去探測。

2009到2018年，美國宇航局的開普勒空間望遠鏡發現了數千顆凌日行星。但這些行星太遙遠，光線太弱，當時的韋伯望遠鏡設計不足以讓該望遠鏡探索它們的大氣層。所幸該望遠鏡發射又被推遲了幾年。2018年4月，美國宇航局發射凌日系外行星巡天衛星，該衛星的職責是發現環繞附近最亮恒星的行星。這些行星將為韋伯望遠鏡提供探測大氣層分子的最佳目標。

如果韋伯望遠鏡在2018年就被發射，它就必須等幾年讓凌日系外行星巡天衛星選出最佳目標。而韋伯望遠鏡的發射被一推再推，反而讓它能在升空后立即探測這類目標。它將探測的首批目標中，包括科學家推測最可能存在生命的一些系外行星。事實上，科學家需要調查環繞個頭較小、溫度較低的M型矮星的行星，以確定這些行星是否擁有大氣層。迄今為止，科學家對這個問題依然爭論不休。

通過觀測在行星正面經過其母恒星時母恒星發出的光線，韋伯望遠鏡將測量系外行星大氣層的組成。大氣層中的原子和分子（例如鈉原子和鉀原子）會吸收特定波長的恒星光，從而在到達韋伯望遠鏡的探測儀的光譜中留下獨特的“指紋”

就算在這些系外行星上發現了生命跡象，這些發現也必將受到爭議。畢竟，環繞M型矮星的行星根本不能與地球同日而語，因為不管是這些行星本身還是其母恒星都與地球和地球的母恒星——太陽完全不同。所以，韋伯望遠鏡肯定會給我們尋找地外生命帶來幫助，但對外星生命的探索可謂尚未起步。

壽命有限

在部件組裝、測試和折疊好之后，韋伯望遠鏡從美國出發，經由巴拿馬運河運抵法屬圭亞那的發射場，由阿麗亞娜5型火箭運載升空。

韋伯望遠鏡升空之時，自然是一些科學家懷舊之時，但科學家更需要快馬加鞭想好下一步的工作。哈勃望遠鏡因為有宇航員維護，才得以延長壽命幾十年。而韋伯望遠鏡到達太空中指定地點后不僅距離地球太遠，因而不可能派宇航員維護它，而且攜帶的燃料只夠用5～10年。也就是說，韋伯望遠鏡的壽命最多也只有10年。當燃料耗盡后，它將進入一個偏遠的繞太陽軌道，從此與我們永別。

“待字閨中”的韋伯望遠鏡

韋伯望遠鏡地面出發